內(nèi)存技術(shù)不會停滯不前。內(nèi)存架構(gòu)發(fā)生變化，更快、更高效的結(jié)構(gòu)被創(chuàng)建并用于連續(xù)幾代，例如 DRAM 到 SDRAM 到 DDR 到 DDR1、2、3 等等。

　　然而，記憶進(jìn)化不僅僅局限于結(jié)構(gòu)改進(jìn)。存儲單元本身的底層技術(shù)一直在改進(jìn)。特殊工藝和設(shè)計針對低功耗、非易失性、安全存儲或其他特殊需求進(jìn)行了優(yōu)化。

　　本文著眼于具有不同類型存儲單元和存儲架構(gòu)的嵌入式 MCU。多家制造商提供這些 MCU，并聲稱其優(yōu)于具有傳統(tǒng)內(nèi)存和架構(gòu)的競爭部件。本文將研究設(shè)計人員可用的幾個選項。

　　為了尋找完美的單元

　　Van Neumann、Harvard 和 RISC 架構(gòu)都使用非易失性存儲器（如 EPROM 和 Flash）來存儲引導(dǎo)代碼和固件。大多數(shù)引導(dǎo)代碼都在芯片上，但也存在無 ROM 部分，并且仍將使用外部 OTP EPROM 或閃存。這兩種技術(shù)都為微控制器的固件需求提供了密集、相當(dāng)?shù)凸?、低成本的現(xiàn)場和工廠可編程解決方案。

　　雖然傳統(tǒng) EPROM 已經(jīng)讓位給閃存作為主要存儲技術(shù)已有數(shù)十年，但人們一直在尋求消除易失性和可重寫性之間的障礙。最終，每個人??都在尋求一種可以在任何地方使用的高速、非易失性、低功耗、可重寫、高耐用性的電池。

　　令人高興的是，已經(jīng)開發(fā)了幾種好的技術(shù)，可以產(chǎn)生我們都想要的理想細(xì)胞結(jié)構(gòu)。然而，新的存儲技術(shù)需要時間才能進(jìn)入現(xiàn)代微控制器架構(gòu)。當(dāng)需要不同的制造工藝來制造這些特殊的存儲單元時，尤其如此。在良率足夠高之前，這些部件的成本總是會更高一些。

　　安全是驅(qū)動力

　　當(dāng)專有算法或代碼塊為設(shè)計帶來明顯優(yōu)勢時，代碼尤其有價值。當(dāng)所有代碼都存儲在微控制器中時，很難根據(jù)代碼侵權(quán)來強制執(zhí)行專利。盡管如此，工具確實允許轉(zhuǎn)儲核心內(nèi)存，因此可以使用加密代碼。

　　外部存儲器中的加密代碼塊不會讓雜散的眼睛以任何可用的形式將其分解。MCU 包含一個解密算法，其中包含為偽隨機函數(shù)生成器提供種子的定制參數(shù)。除非您知道種子，否則您無法輕松解碼數(shù)據(jù)。

　　這就是Maxim DS5000T-32-16+等部件所采用的方法，這是一個基于 8 位傳統(tǒng) 8051 內(nèi)核的安全微控制器。它的核心是一個電池備份的 SRAM，它創(chuàng)建了一個“軟”安全設(shè)計。即使被迫通過其地址序列，內(nèi)部代碼數(shù)據(jù)也已經(jīng)加密。10 年數(shù)據(jù)保留規(guī)范將在沒有電源的情況下保存內(nèi)容。

　　請注意固件如何不保存在 ROM、EPROM 或閃存中。相反，對傳入的加密代碼應(yīng)用 48 位或 80 位隨機解密。如果檢測到篡改，電池備份 RAM 甚至具有自毀機制。

　　其他現(xiàn)代風(fēng)格的安全微控制器采用可交換模塊格式，例如 Maxim DS2250-64-16#。注意雙電池以確保使用壽命。整個微控制器模塊、存儲器、加密引擎和實時時鐘可以保持狀態(tài)并繼續(xù)在系統(tǒng)外部運行。這使得這些 MCU 成為安全密鑰訪問、安全和關(guān)鍵設(shè)置參數(shù)、秘密算法和處理技術(shù)、濾波器系數(shù)等的理想選擇。

　　具有加密 SRAM 的可交換安全模塊具有自毀功能，可保護(hù)密碼和固件以及關(guān)鍵參數(shù)和安全設(shè)置。

　　新的非易失性電池結(jié)構(gòu) 松下

　　獨有的技術(shù)用它的 ReRAM 單元。該公司開發(fā)了一種新的非易失性存儲器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于一個晶體管 - 電阻器核心單元，該核心單元在特殊的電阻層中使用了氧化鉭材料。使用普通的 0.18 μm CMOS 工藝，可以將 ReRAM 單元重新編程為 1.8 到 3.6 V 的低電平，而不必使用內(nèi)部電荷泵來啟動到更高的電壓。重寫時間也很快：10 ns。另一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，與許多閃存和 EEPROM 技術(shù)不同，一個單元在重寫之前不必被擦除。

　　Panasonic 在 MN101L、E 和 C 系列等 8 位內(nèi)核和 MN103 L、S 和 H 系列等 16/32 位內(nèi)核中利用了該技術(shù)，性能水平從 10 到 120 MHz 和 C 優(yōu)化架構(gòu)。

　　與閃存技術(shù)相比，ReRAM 的一個好處是功耗降低了 50%，這要歸功于漏電流的減少（圖 2）。松下表示，與閃存或 EEPROM 不同，不需要中間數(shù)據(jù)擦除周期，從而使寫入時間快五倍。與閃存的典型 10 Kcycles 相比，ReRAM 的耐久性也增加到 100 Kcycles。

　　圖 2：根據(jù) Panasonic 的說法，ReRAM 技術(shù)將平均電流降低到足以消除其中一個電池的程度。

　　例如，像MN101LR04DXW這樣的部件包含 64 KB 的 ReRAM 以及另一個 4K 用于暫存器 SRAM。8 位部件具有 16 位內(nèi)部架構(gòu)，包括標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，如 A/D（6 通道，12 位）；I2C、UART 和 DMA。請注意，ReRAM 在程序區(qū)域中僅允許 1K 寫入周期，但在數(shù)據(jù)區(qū)域中具有完整的 100K 寫入耐久性。

　　另一種不同的技術(shù)來自瑞薩電子，它在其微控制器內(nèi)部使用專有存儲器技術(shù)來提高靈活性并縮短掩模 ROM 型處理器的生產(chǎn)時間。一個示例部件是M37548G3FP#U0使用該公司以 8 MHz 運行的 8 位內(nèi)部 740 內(nèi)核。它非常適合電器、玩具和娛樂等相對較?。?0 針、15-I/O）簡單（6 KB QzROM）嵌入式設(shè)計。更大的兄弟 M37542F8FP#U0 將其提升到 64 KB，采用更大的 36 引腳封裝和 29 個 I/O。

　　QzROM 技術(shù)幾乎取代了 MASK ROM 技術(shù)，大大縮短了開發(fā)周期，并降低了功耗（圖 3）。與基于 Flash 的 micros 系統(tǒng)編程中的 OTP 和 J-Tag 一樣，QzROM 可以在安裝后進(jìn)行編程，并且還具有防篡改功能以防止未經(jīng)批準(zhǔn)的訪問。Panasonic 也在以 720 內(nèi)核為中心的大容量 4 位系列中使用了這項技術(shù)。Segger Flasher 系列支持這兩個內(nèi)核的生產(chǎn)工具。

　　圖 3：與閃存和 OTP 一樣，QzROM 允許開發(fā)和非常大批量的類似掩模的良率，但與傳統(tǒng)的掩模技術(shù)相比，顯著減少了大批量生產(chǎn)的延遲。

　　Innovasic在其用于 66 MHz 32 位靈活輸入確定性輸出 （FIDO） MCU 的 RREM 存儲器類型中提出了一種創(chuàng)新架構(gòu)。針對實時通信應(yīng)用并針對各種通信協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，部件如FIDO1100BGB208IR1使用 Innovasic 所謂的可重定位快速執(zhí)行內(nèi)存 （RREM） 內(nèi)存單元。這些用于通過將代碼映射到更高速的內(nèi)存來加速代碼的關(guān)鍵部分。RREM 連接到處理器的內(nèi)存總線，看起來就像該總線上的任何其他外圍設(shè)備。RREM 的存儲周期降至 20 ns，以支持 12.5 μs 的周期時間。由于不必使用等待狀態(tài)或外部緩存式代碼塊，可以提高性能水平。

　　EEPROM 和 FRAM

　　并非所有形式的 NovRAM 都適用于代碼存儲，EEPROM 就是其中之一。EEPROM 單元更大、更復(fù)雜，并且通常速度較慢，這限制了其為高速微控制器提供代碼的能力。但是，在微控制器內(nèi)使用 EEPROM 進(jìn)行非代碼相關(guān)的非易失性存儲是有優(yōu)勢的。

　　閃存是一種更高密度的非易失性存儲器，它是面向頁面的，必須加載整個頁面才能讀取位于該頁面任何位置的單個字節(jié)。寫入時也是如此，必須寫入整個頁面才能更改單個字節(jié)。

　　然而，EEPROM 可在字節(jié)范圍內(nèi)訪問，并且微控制器可以運行自己的代碼來讀取或?qū)懭肫?EEPROM。飛思卡爾在其一些微控制器中添加了 16 位 EEPROM 塊，例如MC812A4CPVE8，這是供應(yīng)商HC12 核心系列 16 位微控制器的一部分。EEPROM 巧妙地用作一些寄存器以及控制塊和通用陣列。

　　雖然排列為 16 位塊，但可以在單周期總線操作中讀取和編程數(shù)據(jù)以進(jìn)行字節(jié)和對齊字訪問。未對齊的字需要第二個周期。還提供了批量擦除功能。

　　嵌入式 MCU 中現(xiàn)在可用的另一種新型非易失性字節(jié)范圍可訪問存儲器技術(shù)來自德州儀器通過收購 FRAM 技術(shù)。FRAM 是鐵電 RAM，類似于早期計算機中使用的原始核心存儲器。它是可靠的、固有的耐用性和抗輻射性。

　　從架構(gòu)上講，它就像 DRAM 單元總線，使用一層鐵電材料代替介電材料使其非易失性，與閃存技術(shù)相比具有快速寫入和更低的功耗。另一個關(guān)鍵優(yōu)勢是幾乎無限的寫入耐久性，例如 SRAM。

　　TI 已將 FRAM 模塊置于其流行的低功耗 MSP430 系列部件中，包括小型部件（如 4k MSP430FR5720IRG??ER ）和更大的 16k 部件（如MSP430FR5739IRHAR）。

　　FRAM 微控制器的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊概述可在 Digi-Key 網(wǎng)站上獲得。還提供了另一個產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，該模塊專門針對TI MSP430FR57xx FRAM MCU。

　　總而言之，工程師應(yīng)該意識到，我們在 MCU 中認(rèn)為理所當(dāng)然的內(nèi)存技術(shù)并不是全部。許多微控制器具有特殊的內(nèi)存功能和架構(gòu)，可以為您所用，我們在本文中重點介紹了其中的一些。此外，現(xiàn)代微控制器中新型存儲器單元和傳統(tǒng)存儲器的組合可以為您的設(shè)計產(chǎn)生新穎、安全的應(yīng)用程序。